Slovenščina

Raziščite različne metode shranjevanja vodika, njihove izzive in napredek, ki poganja trajnostno energetsko prihodnost. Globalna perspektiva.

Razumevanje shranjevanja vodika: Celovit globalni vodnik

Vodik je vse bolj prepoznan kot ključni nosilec energije v globalnem prehodu v trajnostno prihodnost. Njegov potencial za dekarbonizacijo različnih sektorjev, vključno s prometom, industrijo in proizvodnjo električne energije, je pomemben. Vendar pa je široka uporaba vodikove energije odvisna od razvoja učinkovitih in stroškovno ugodnih rešitev za shranjevanje. Ta vodnik ponuja celovit pregled različnih metod shranjevanja vodika, njihovih izzivov in najnovejših napredkov, ki spodbujajo inovacije na tem kritičnem področju.

Zakaj je shranjevanje vodika pomembno

Vodik, čeprav ga je v naravi veliko, obstaja predvsem v spojinah, kot sta voda (H2O) ali ogljikovodiki (npr. metan, CH4). Pridobivanje čistega vodika zahteva energijo, njegovo shranjevanje pa predstavlja edinstvene izzive zaradi nizke gostote in visoke vnetljivosti. Učinkovito shranjevanje je ključno iz več razlogov:

Metode shranjevanja vodika

Tehnologije shranjevanja vodika lahko v grobem razdelimo na fizikalne in kemične metode shranjevanja. Vsak pristop ima svoje prednosti in slabosti glede na zmogljivost shranjevanja, energetsko učinkovitost, stroške in varnost.

1. Fizikalno shranjevanje

Fizikalno shranjevanje vključuje shranjevanje vodika kot plina ali tekočine pod določenimi pogoji temperature in tlaka.

a) Stisnjen vodikov plin

Shranjevanje stisnjenega vodikovega plina vključuje stiskanje vodika na visoke tlake (običajno 350-700 barov, v nekaterih primerih celo do 1000 barov) in shranjevanje v robustnih tlačnih posodah. To je relativno zrela tehnologija s komercialno dostopnimi rešitvami.

Prednosti:
Slabosti:
Primeri:

Stisnjen vodik se pogosto uporablja v vozilih FCEV. Na primer, Hyundaijev NEXO FCEV uporablja tri visokotlačne posode za vodik s kapaciteto shranjevanja 6,33 kg pri 700 barih, kar omogoča doseg več kot 600 km (po standardu WLTP).

b) Utekočinjen vodik

Shranjevanje utekočinjenega vodika vključuje hlajenje vodika na njegovo kriogeno vrelišče (-253°C), da se kondenzira v tekočino. To znatno poveča volumetrično energijsko gostoto v primerjavi s stisnjenim plinom.

Prednosti:
Slabosti:
Primeri:

Utekočinjen vodik se uporablja v vesoljskih programih (npr. NASA-in Space Shuttle) in se preučuje za uporabo v prevozu na dolge razdalje, kot so letala in ladje. Na primer, Airbus razvija letala na vodikov pogon, ki bodo uporabljala shranjevanje utekočinjenega vodika.

2. Kemično shranjevanje

Kemično shranjevanje vključuje shranjevanje vodika v kemičnih spojinah, ki sproščajo vodik ob reakciji s sprožilcem, kot je toplota ali katalizator.

a) Kovinski hidridi

Kovinski hidridi so spojine, ki nastanejo z reakcijo vodika z določenimi kovinami ali zlitinami. Vodik je shranjen znotraj kovinske mreže in se lahko sprosti s segrevanjem hidrida.

Prednosti:
Slabosti:
Primeri:

Lantan-nikljev hidrid (LaNi5H6) in magnezijev hidrid (MgH2) sta primera kovinskih hidridov, ki se preiskujejo za shranjevanje vodika. Raziskave so osredotočene na izboljšanje njihove zmogljivosti shranjevanja vodika in kinetike z legiranjem in nanostrukturiranjem. Na primer, raziskovalci na Japonskem aktivno delajo na sistemih na osnovi MgH2, modificiranih s katalizatorji za izboljšanje njihove učinkovitosti.

b) Kemični hidridi

Kemični hidridi so spojine, ki sproščajo vodik ob reakciji z vodo ali drugim reaktantom. Primeri vključujejo natrijev borohidrid (NaBH4) in amonijev boran (NH3BH3).

Prednosti:
Slabosti:
Primeri:

Natrijev borohidrid (NaBH4) se je uporabljal v nekaterih aplikacijah gorivnih celic. Raziskave so osredotočene na razvoj učinkovitih metod za regeneracijo porabljenega borohidrida. Amonijev boran (NH3BH3) je še en obetaven kemični hidrid, vendar njegova regeneracija ostaja izziv. Raziskovalci v Nemčiji in Združenih državah Amerike raziskujejo različne poti za učinkovito regeneracijo teh materialov.

c) Tekoči organski nosilci vodika (LOHC)

LOHC so organske tekočine, ki lahko reverzibilno vežejo vodik z reakcijami hidrogeniranja in dehidrogeniranja. Primeri vključujejo toluen/metilcikloheksan in dibenziltoluen/perhidro-dibenziltoluen.

Prednosti:
Slabosti:
Primeri:

Sistem toluen/metilcikloheksan je eden najbolj preučevanih LOHC. Vodik se doda toluenu, da nastane metilcikloheksan, ki ga je mogoče prevažati in shranjevati. Vodik se nato sprosti z dehidrogeniranjem metilcikloheksana nazaj v toluen. Podjetja na Japonskem in v Nemčiji aktivno razvijajo in uvajajo rešitve za shranjevanje in transport vodika na osnovi LOHC. Korporacija Chiyoda na Japonskem je predstavila globalno dobavno verigo vodika z uporabo svoje tehnologije SPERA Hydrogen™ na osnovi sistema LOHC toluen/metilcikloheksan, s katero prevaža vodik iz Bruneja na Japonsko.

3. Shranjevanje na osnovi materialov (adsorpcija)

Ta metoda uporablja materiale z veliko površino, kot so aktivno oglje, kovinsko-organski ogrodji (MOF) in ogljikove nanocevke, za adsorpcijo molekul vodika.

Prednosti:
Slabosti:
Primeri:

Raziskovalci po vsem svetu aktivno razvijajo in karakterizirajo nove MOF in druge nanoporozne materiale za shranjevanje vodika. Na primer, znanstveniki na univerzah in raziskovalnih inštitutih v Združenih državah Amerike, Evropi in Aziji sintetizirajo MOF z izboljšanimi lastnostmi adsorpcije vodika, kot so povečana površina in močnejše interakcije z molekulami vodika. Iskanje materialov, ki lahko učinkovito shranjujejo vodik pri temperaturah in tlakih blizu sobnih, ostaja ključnega pomena.

Izzivi in prihodnje usmeritve pri shranjevanju vodika

Čeprav je bil pri tehnologijah shranjevanja vodika dosežen pomemben napredek, ostaja več izzivov:

Prihodnja raziskovalna in razvojna prizadevanja so osredotočena na reševanje teh izzivov in razvoj inovativnih rešitev za shranjevanje vodika. Nekatera ključna področja so:

Globalne pobude in naložbe

Vlade in industrije po vsem svetu veliko vlagajo v raziskave in razvoj na področju shranjevanja vodika. Primeri vključujejo:

Zaključek

Shranjevanje vodika je ključna tehnologija, ki omogoča široko uporabo vodikove energije. Čeprav izzivi ostajajo, nenehna prizadevanja na področju raziskav in razvoja spodbujajo inovacije v znanosti o materialih, inženirstvu in načrtovanju sistemov. Z zorenjem vodikovih tehnologij in zniževanjem stroškov bo shranjevanje vodika igralo vse pomembnejšo vlogo pri dekarbonizaciji različnih sektorjev in ustvarjanju trajnostne energetske prihodnosti za svet. Ključ do sprostitve celotnega potenciala vodika je v nenehnem prizadevanju za učinkovite, varne in stroškovno ugodne rešitve za shranjevanje, ki lahko zadovoljijo raznolike potrebe globalnega vodikovega gospodarstva. Mednarodno sodelovanje in izmenjava znanja sta bistvenega pomena za pospešitev napredka na tem vitalnem področju.